干货 | 如何选择 DCDC 降压型开关电源的电感

电子工程世界

2023-10-12 08:58发布于云南电子工程世界官方账号

选择合适的电感是开关电源电路设计的关键之一。本文将帮助您理解电感值和电路性能之间的关系。

降压转换器（buck converter），也称为降压转换器(step-down converter)，是一种开关模式稳压器（voltage regulator），可以有效地将较高的直流输入电压转换为较低的直流输出电压。我们将使用 LTspice 来研究开关模式电压转换器的电气行为。本文将开始探讨与电路电感相关的设计任务和权衡。

图 1 中显示的 LTspice 原理图将使我们能够仿真降压转换器的功率级。要成为一个完整的转换器，我们需要添加一个反馈控制回路来调节电压。

降压转换器电感公式

来自德州仪器的应用笔记提供了以下方程式来计算电感大小：

公式种各项含义如下：

VOUT：是输出电压。电压可以比输出高或者低。
VIN：同样地，我们通常期望开关调节器能够容忍一定范围的输入电压，所以如果您的 VIN 不是固定的，您可以选择范围中间的某个值。
fS（开关频率）：在计算电感值之前，您必须考虑开关频率。200 kHz 到 2 MHz 之间的某个值是一个合理的起点。
ΔIL：这表示电感电流纹波，即开关元件的通断动作引起的电感电流上下变化，如图 2 所示。

为了响应开关元件的开/关动作，降压转换器中的电感电流上下波动，超出和低于负载电流（即电感电流的平均值）。这些偏差的大小用电感电流纹波（ΔIL）来表示。

如果我们将电流纹波（CR/ current ripple）表示为预期负载电流的百分比，建议的CR规范为30％。这意味着最大电感电流比预期负载电流高15％，最小电感电流比预期负载电流低15％。

你可能会看到“最大负载电流（maximum load current）”或“满负载电流（full load current）”这样的术语，而不是“预期负载电流”。在设定ΔIL目标时，我们不会考虑异常高的瞬态电流。

计算降压型稳压电路的电感值

让我们通过一个具体的例子来说明如何计算电感。我们将在LTspice 电路中更改各种参数，以便我们真正做一些新的事情。

假设我们的目标是接受一个相当高的系统电压，并生成适用于低功率混合信号嵌入式系统的电源轨。我们假设我们的名义输入电压为24 V，期望的输出电压为3.3 V，预期负载电流为70 mA。

对于这种类型的应用，首选开关稳压器，因为如此大的压差会导致线性稳压器过热。

因为我们将为一些模拟电路供电，因此，我们想减少输出电压的纹波。此外，我们将选择更高的开关频率-比如说1.5 MHz-因为更高的开关频率有助于减少输出纹波。

我们还需要选择一个初始占空比。为此，我们可以使用电路在指定的输入和输出电压下所需的最大占空比，并计算最大占空比如下：

假设效率为90％，所以我们的最大工作周期约为15％：

在图3中，更新了带有开关频率和占空比的示意图。

我正在使用1μF作为电容C1的默认值。

另外，请注意我已经用电流源 ILOAD 替换了负载电阻。这确保了负载电流无论输出电压如何都将保持为70mA。

我们这样计算电感：

这是更新后的原理图：

Buck稳压器功率级仿真

图5显示了我们的新降压转换器的电感电流、负载电流和输出电压：

这些结果看起来不错，但还有很多细节需要检查。